工科特色高校多样化基础物理实验体系构建

唐 军,李 艳,秦丽霞,张 雷,张 伦,寻之朋

(中国矿业大学 材料与物理学院,江苏 徐州 221116)

大学物理实验是工科特色高校各本科专业的必修实验课程。物理实验课程是学生进行科学实验知识,方法和技能训练的开始。通过大学物理实验的学习,进一步验证和巩固大学物理理论知识;掌握科学实验的基本规范,包括:实验操作、数据记录、数据处理、实验报告撰写和实验室安全规范等;培养学生的基础动手能力,创新意识和创新能力[1];培养学生的科学精神和“实践是检验真理的唯一标准”等唯物主义认识论[2]。按照以上课程目标,大学物理实验项目通常分为基础验证性实验;综合性实验;设计性实验。所谓“基础不牢,地动山摇”,作为学生进入大学后的最早的实验课程,如果在实验规范、能力方面对学生的培养没有达到目标,甚至形成一些错误的观念,带着错误的观念进入后续专业实验课程的学习,将影响课程目标的达成,甚至影响学生毕业后的工作。从工程教育认证角度来讲,将从根本上影响人才培养目标或毕业要求的达成[3]。

1 大学物理实验体系的问题分析

大学物理实验通常面向全校大部分理工科不同专业学生开设,具有“量大面广”的特征。以中国矿业大学为例,大学物理实验面向全校60多个专业约5 000名本科生开设,每生要求选做20个实验。这必然给教学内容安排、教学管理、教学模式改革带来很多困难。

1.1 实验内容

物理学是一门实验的科学,在物理学发展史上有很多经典实验,这些经典实验本身对训练基本实验技能,培养科学探索精神非常好,比如“密立根油滴实验”、“弗兰克赫兹实验”、“电桥实验”等。这些经典实验项目就占据了学生绝大部分的课时,使得大学物理实验课程的实验内容上比较固定,缺乏灵活性。以中国矿业大学为例,要求每个学生在提供的40个实验项目中选做20个。但40个实验项目按照力学、热学、光学、电磁学、近代物理来分配时,实验内容也相对比较固定。在工程认证背景下,每个专业要求培养不同的专业能力,大学物理实验着重培养学生的基础实验能力,但对具体专业的多样化的要求涉及不够[4]。

1.2 实验教学模式

大学物理实验基本教学模式是:学生课前通过课本预习并撰写预习报告;进入课堂后老师检查预习报告、讲解实验原理和操作过程;学生实验操作、教师指导并记录实验操作;教师检查并通过实验数据;学生课后撰写实验报告;教师批改报告结合实验操作给出最终评分[5]。以上过程总共要在20个项目中实施,单一化的教学模式可能使学生失去对物理实验的学习兴趣;个别相对简单的实验可能让学生产生应付老师的不良情绪;以相对单一的教学内容面向不同专业的学生偏离了“学生中心”的教育理念[6]。

2 构建多样化的实验教学体系

在当前我国高等教育普及化的大背景下,各高校的招生人数普遍稳定在高位,要实现大学物理实验对所有专业、所有学生的个性化教学存在很大的困难。但在原有经典物理实验项目的基础上引入更多样化的教学内容、教学模式和手段将从一定程度上解决传统基础物理实验中存在的问题。

2.1 实验内容拓展

中国矿业大学基础物理实验教学体系在原有的经典实验项目的基础上,结合疫情时期的小范围实践探索,加入了新的实验内容。

首先,以物理学科竞赛为基础,开展探究式实验项目开发。从每年的全国大学生物理学术竞赛(CUPT)和全国大学生物理实验竞赛的题目中开发实验项目。学生通过探究式实验项目的参与来抵扣一定的大学物理实验学时。同时,从中选择优秀的学生参与学科竞赛。如图1所示为部分探究式实验项目成果[7]。

图1 依托学科竞赛的创新性实验项目成果

2020年突如其来的新冠疫情给实验教学带来极大的挑战。疫情期间的压力也给各高校探索更多的线上教学模式提供了机遇[8]。我校早在2016年就与企业联合开发了基础物理虚拟仿真实验系统,系统共提供各类虚拟仿真实验项目50个;另外2022年依托中国矿业大学应用物理学国家一流专业建设点,虚拟仿真实验系统进一步朝半导体芯片制造方面做了综合实验拓展。在多次突发疫情状况、学生学期初返校中虚拟仿真实验起到了非常重要的作用,基本解决了每届约5 000人的大学物理实验课程。目前,实现疫情防控优化管理后,学生可以进入实验室动手操作,但虚拟仿真实验仍然可以在严格控制数量的前提下作为学生实验项目的选项。如图2所示为中国矿业大学基础物理虚拟仿真实验系统。

图2 中国矿业大学基础物理虚拟仿真实验系统

另外,疫情期间全国物理教师开展了大量的居家物理实验探索[9,10]。由于一些留学生滞留国外无法返校,针对这部分学生,我校开展了居家实验项目。通过任课教师在疫情期间的探索、实践也开发了规范的实验项目,也可作为实验内容的选项。图3为留学生做“地磁测量”居家实验的实验报告首页和数据处理页。

图3 留学生地磁测量居家实验报告

总之,中国矿业大学构建了包含经典物理实验项目、探究式实验项目、虚拟仿真实验项目、居家物理实验项目来支撑全校各类学生的实验课程,如图4所示。

各类实验项目可以根据专业要求进行灵活组合,这种灵活组合在疫情时期得到了很好的检验。以疫情时期2021年秋季学期为例。图5给出了各类学生基础物理相关实验实施的具体情况。

图5 中国矿业大学2021年秋季学期各类基础物理实验

对于物理专业的普通物理实验(1)课程,由12个经典物理实验和2个虚拟仿真实验项目构成,外加6个学时的网上绪论课程。物理类专业一年级学生的专业拓展课程中,每个学生完成3个实验竞赛或学术竞赛的探究课题。

工科拔尖班的学生基础物理实验课程第一学期与普通班学生一样共做8个经典物理实验和2个虚拟仿真实验,另一学期改作3个探究课题。对于普通工科生,可选择做8个经典物理实验和2个虚拟仿真实验;也可用一个探究性课题来代替3个经典物理实验。未返校的留学生共做7个居家物理实验项目。

2.2 教学模式优化

单一的实验项目伴随着教学模式的单一化,当引入虚拟仿真实验项目和探究式实验项目后,也同时需要有新的教学模式改革。

在虚拟仿真实验教学中,教师主要采用线上教学讲解实验原理、学生线上操作、教师线上答疑、批改报告等。实验教师在疫情期间的虚拟仿真实验教学中试验各种不同的教学平台和互动模式,很多优秀的教学方法和教学经验形成实验教学的重要资源。这些教学经验在疫情结束后的虚拟仿真实验得以继续使用。

每个经典实验项目往往对应相对单一的物理知识点,而探究式实验项目往往需要综合应用各类知识解决一个实际问题,他更利于学生综合探究能力、科学精神的培养。探究式实验项目的内容就决定了其教学模式与传统的物理实验教学模式完全不同[11]。学生组成小组,分工合作进行理论探究、实验方案设计、动手实验、数据整理分析、总结汇报辩论。这样的教学模式能充分体现实验课程的“两性一度”,充分调动学生的学习积极性,多方位培养学生的综合能力。

当代大学生是互联网时代的“原住民”,生活、学习等活动都习惯于互联网思维。线上学习、线上线下混合式学习早已渗透到各类理论课程。大学物理实验课程注重动手操作能力的培养,不适合线上进行。但实验课程的部分环节,比如实验绪论课程、实验原理的讲解等环节可以采用理论课线上线下混合模式进行教学。多种学习资源的网络呈现为学生提供了更多的自主学习空间[12,13]。中国矿业大学建立了校本大学物理实验MOOC课程(如图6所示)。实验绪论课程以线上视频课程呈现,教师以视频课程为基础开展线上线下混合式绪论课教学。同时,将课堂实验原理讲课制作成高质量MOOC视频,节约课堂讲授时间,增加实验操作指导的时间,同时MOOC中配以测试题目来评价学生的预习效果。

图6 中国矿业大学物理实验课程网络MOOC系统

3 结 论

作为“量大面广”的基础实验课程,大学物理实验课如何更好支撑工科特色高校的人才培养目标达成,满足不同专业、不同类型学生的要求是值得深入探讨的问题。中国矿业大学在传统的经典实验项目的基础上,开发了虚拟仿真实验、居家物理实验项目,从物理学科竞赛中挖掘凝练了探究式实验项目,丰富了实验教学内容,从一定程度上满足了多样化的教学要求。同时,结合不同实验类型,开展教学模式改革探索,更好地支撑“新工科”人才培养。当然,如何针对不同专业开展实验内容设计,让基础物理实验更贴近特色专业需求,还需要进一步探索。